北京住宅舒适度与低能耗研究

(发表于《世界建筑》2006.03）

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摘要:本文详尽阐述了在中国建筑产业中强劲的能源需求与能源浪费之间的矛盾，并以北京住宅为例，探讨了以合理的投入获得住宅舒适度的可能和方法。快速的经济增长促使人们对住宅的舒适度要求越来越高；但由于建筑的维护结构不能很好地响应自然，供热系统也相对粗放，达到最基本的室内环境标准往往要付出很高的代价。本文详尽地研究了建筑的维护结构、自然及建筑能耗的关系：运用国际流行的热舒适度评估软件TAS建立了深入研究建筑维护结构的模型，以维护结构中每个细小参数的变化对整体建筑能耗和舒适度影响的分项评估为基本研究方法，研究结果表明建筑维护结构的任何一个单项元素对整体能耗的影响都是有敏感区的；同时也表明任何评价都要以整体的节能水平和经济回报率为基础去衡量才有意义。

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关键词:住宅舒适度，建筑维护结构，敏感区，投资回报年限绿色建筑博客
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近两年的电荒无疑给人们，也包括普通老百姓一个直接的警示，节约能源势在必行。根据中国政府的相关报告，中国土地和水资源的人均拥有量比世界平均水平低三分之一，而森林和石油人均储量也只相当于世界人均水平的十分之一。建筑是能源消耗大户，但目前中国的节能型建筑只占总建设量的一个很小的比例。据世界银行2001年年度报告预测，中国2015年城市总建设量的一半都会在2000年以后建设完成。但目前的主要问题是大部分建筑还在延续原始粗放的建设方式，很难以合理的投入达到环境舒适标准。这同时也说明在建筑节能领域，中国具有相当大的潜力。绿色建筑博客-RXp5d!uN7i ha

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北京的住宅发展经历了若干阶段，从50年代的‘筒子楼’到90年代的高层塔楼，后来过渡到SARS以后倍受欢迎的高层或低层板楼。本文将以板楼为例，以维护结构为重点，探讨建筑维护结构在整体运行中的作用，以及通过优化建筑的维护结构和调整建筑控制策略，以降低建筑能耗的方式和可能。绿色建筑博客v(o/~{z
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一．北京地区气候分析

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北京位于华北平原西北边缘，北纬39.54°,东经116.24°，冬季寒冷干燥、夏季炎热潮湿。对气候的深入了解有助于明确优势和局限，并把纳入自然资源作为建筑设计的一部分。绿色建筑博客;OE1q~3C

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1．温度与太阳能资源：

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与世界同纬度的其它城市相比，北京冬、夏季采暖与制冷的任务都更加严峻。冬季受西伯利亚冷空气的影响，北京一月份的温度比世界同纬度其它城市大约低10摄氏度左右；七月份的温度则大约高出2摄氏度（图1）。北京夏季昼夜温差较大，一般情况下可以利用这种特点进行夜间通风制冷。绿色建筑博客)TM:{!DeE

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与世界同纬度其它城市相比，北京虽然在温度分布上不占优势，但却拥有相对较多的太阳能资源。从12月至2月，北京拥有的太阳辐射能是同时期伦敦的三倍。丰富的太阳能资源是宝贵的财富，适时的应用可以减少一次性能源的消耗并提高住宅的健康标准，同时较强的太阳能也对夏季遮阳提出了挑战。

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2．太阳轨迹图绿色建筑博客9zuSc
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太阳的入射角会随季节的变化而变化。北京冬季太阳角非常小，一月份为30度左右。因此冬季南面的窗户可以获得大量的太阳能以抵御外界寒冷天气，而且冬季的阳光可以投射到室内距窗口较远的地方补充日照的强度。夏季太阳高度角在七月份最高可达到75度（图2）。一种经济可行的办法是应用水平挑檐，挑檐不需要太宽，可以和建筑设计结合起来。

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3．风能

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北京全年的平均风速是2.5m/s,一般来说，春季风大，夏季风比较温和。因此夏季要利用自然通风来降低室内的温度就不显太多优势。但这也要根据具体的城市格局具体来看。

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二．北京住宅舒适度标准绿色建筑博客"MSD gsu

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运用BERKELYS舒适度研究模型对影响舒适度的因素，如温度、相对湿度、气流速度、行为方式（睡眠、坐、站立及运动等）、着衣程度等进行了综合的评估，参照国家及北京地区相应标准规范，重新确定了北京住宅舒适度标准：冬季睡眠状态，温度不应低于16摄氏度，清醒状态温度不应低于18摄氏度；对于夏天，睡眠状态温度不应高于29摄氏度，其它时间温度最好不高于27摄氏度。

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图3表明了北京的气候条件与确定的舒适度标准的对比关系，这是由OLGAY提出的著名的BIOCLIMATE图表。从图中可以看到，北京冬天的情况比夏天要严峻一些。但是也存在扩大舒适度的可能，例如增加空气流动速度，在夏天很高的温度下人们也会感到舒适；在冬季，增加辐射能到800瓦/平方米，那么即使在零度左右居住者也不会感到寒冷。这给出了某种启示，如果能很好地利用自然通风和太阳能资源，是可以全部或部分地提高住宅的舒适度的。绿色建筑博客]y;z$j!N"U.T

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三．研究与评估方法

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研究所用的模拟软件是国际较为流行的动态能耗模拟软件TAS，由英国EDSL公司开发完成。研究基本分为六个步骤：收集相关数据；建立基准模型；分析基准模型的能耗状况；进行建筑维护结构的单项元素细分及敏感度分析；优化基准模型并分析优化后模型的能耗状况；循序渐进地提出改进方案并结合经济投资回报进行综合评价。

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1．基准参考模型

中国节能设计标准(JGJ26-95)规定新建住宅要比80年代早期的标准住宅节能50%，又根据北京住宅设计规范中面积指标的规定，确定了基本参考模型：两间卧室，总使用面积67至72平方米；层高2.7米；窗墙比北向25%、东西向30%、南向35%。根据北京95年实施的地方标准，外窗的传热系数不宜大于3.5w/m2.k，但过去实际应用较多的是双层玻璃钢窗，其传热系数为5.46 w/m2.k。双层钢窗的空气渗透率为3.5立方米每米每小时。屋面构造：中空混凝土板加50mm聚苯乙烯板，传热系数为0.657 w/m2.k，符合规范要求。外墙的传热系数按照通常建筑做法取1.448 w/m2.k。绿色建筑博客"?5TH2B5rN N~

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在TAS中建立的模型由四套公寓组成，其中两套位于顶层，另外两套位于其下，其中两套分别位于建筑的断部，分别代表了一栋住宅中的不同位置的户型；房间位置标准为区域1-20。绿色建筑博客*w.i&a K7{-LW5lW6Y

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2．基准参考模型模拟结果分析绿色建筑博客X b WHXL"RoI

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基准模型在两种状态下进行模拟：一种是自由运行状态的温度分布预测，即建筑没有能源供给，室内温度是建筑维护结构、内部得热及外界气候共同作用的结果；另一种是以设定的室内舒适度为标准，预测达到相应标准的能耗。

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在自由运行状态下，夏季各房间的温度相差不大；即便各朝向的太阳辐射强度不同，但对室内温度影响不是很大。在冬季，中层两套公寓不同房间的温度差别很大（图4）。1区、2区温度最高，9区温度最低。1区和2区朝向相同，窗墙比相同，但2区的窗地比高于1区。这说明房间的朝向及窗户尺寸的确影响冬季室内热舒适度。9区外墙面积最大，所以维护结构散失的热量也就最多。

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这四套公寓的平面相同，所处的位置不同，因此它们具有不同的热交换表面。能耗模拟表明，顶层端部的公寓具有最大的外维护表面，采暖负荷是最多的；相反，中间层的中部公寓具有最小的外维护表面，制冷量最小。在窗墙比、建筑材料和朝向均相同的情况下，外维护表面面积直接影响了能源消耗量。

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3．单项参数敏感度分析：

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建筑的维护结构基本可以细分为三大类：墙体、窗户及其它元素（图5）。每次模拟只对某一项参数进行修正以便与修正前的基准模型横向比较，真实反映各项参数对建筑节能影响的不同程度。每一项对比都将通过TAS模拟进行数字化比较以精确确定影响的程度。以下例举维护结构中最重要的单项元素进行比较。

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第一类“墙体”

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外墙保温层的位置

保温层在墙体中的位置通常有三种选择：内保温、夹层保温和外保温。模拟中使用相同材质和厚度的墙体填充材料和保温材料，因而墙体的传热系数是相同的。但是保温层的位置不同。构造中增加了保温材料，整体上都可以降低能耗。但是外保温所对应的冷热负荷是最小的。在北京地区，做外保温优于其它两种形式。

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基于前面的分析，采用外保温对节约能耗是最佳的选择。当外保温层厚度增加的时候，外墙的传热系数随之降低（图6）。随着保温层厚度的增加，热负荷逐渐降低：厚度从0厘米增加到3厘米，节能效果最明显；当保温层厚度超出15厘米时，热负荷仍会不断降低，但经济性有所下降。绿色建筑博客 s9_U
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外墙填充材料的热容分析绿色建筑博客 M+z@*b9_T5|e9}QO

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外墙的保温性能除了与保温材料有关外，也与填充材料的密度和传导性能有关。通常来说，随着填充材料密度的降低，墙体的传热系数也随之降低（图7）。冬季使用低密度材料可以大大低能耗；夏季使用低密度材料略微的提高了建筑能耗。从图中可以看出尽管使用较小密度的材料给夏季制冷带来了负面影响，但从全年的总能耗水平上看使用密度较小的材料还是有利的。如果住宅在冬夏都需要能源供应以满足舒适度要求，则建议使用密度小的材料。但必须明确的是，在夏季如果建筑是自主运行的，则适合选用密度较大的材料，以降低夏季的高温时间和比例。因而对填充材料的选择需要权衡冬夏两季的利弊以及建筑的能源供应模式来最终确定。

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屋面保温

混凝土屋面通常由很多层材料组成，起到结构支撑、保温和防水等作用，其中最重要的一层是保温层。珍珠岩在中国属于廉价的材料，要使其起到与聚苯乙烯或其它材料一样的保温作用，就需要一定的厚度。是否采用这种材料要看依据建设项目的地点及建造情况而定。当屋面的传热系数降低的时候，房间冷热负荷都减小了，热负荷的减小更为显著。

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第二类“窗户”

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窗户是构成建筑维护结构的重要因素。在中国建筑中热损失的50%的热量是从窗户散失的。在基准模型中使用的窗户是：双层玻璃、钢框、空气渗透率3.5m³/m